基于环状流转换和多传感器结合的油水两相流测量

本发明涉及油水两相流测量，尤其涉及一种基于环状流转换和多传感器结合的油水两相流测量装置及方法。

背景技术：

1、石油作为世界三大主要能源之一，其储量及生产能力对国家能源安全具有极其重要的战略意义。目前，油井单井产液量主要采用玻璃管(或液位计)测量，含水率主要通过人工取样蒸馏法获得。这种计量工艺存在人为因素大、效率低、时效性差等问题，对于整个油区在一段时期内的产量统计与分析具有一定的参考价值，但无法满足油田开采工艺的实时优化反馈控制。

2、随着近年来数字化油田的不断发展，石油开采过程精细化控制迫切需要开发单井产液与含水同步在线测量设备以提高开采装置的自动化程度和油田经济效益。然而，由于油水两相流具有时空分布不均匀、流型多样、相间滑移等特性，使得油水两相流准确在线测量一直都是石油开采工艺尚未突破的科学技术瓶颈，严重制约石油开采精细化实时优化控制的实现。

3、因此，针对油水两相流测量的需求，本领域的技术人员致力于开发一种测量精度高，实时性好，并能够同时获得油水两相流流量和含水率的连续在线计量装置及方法，从而提高油田开发的整体经济效益和自动化程度。

技术实现思路

1、有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是油水两相流时空分布不均匀、流型多样、相间滑移等特性造成的油水两相流准确在线测量技术瓶颈以及油水滑移影响测量精度的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种基于环状流转换和多传感器结合的油水两相流测量装置，包括测量管道、信号接收处理装置；所述测量管道内上游设置有环状流转换装置，所述环状流转换装置下游的所述测量管道上连接有电磁流量传感器、电导率测量传感器和流速传感器；所述环状流转换装置用于将所述测量管道的进口油水两相流转换为相分布和速度分布轴对称的油水环状流，且水相分布在环域中；所述信号接收处理装置用于接收和处理所述电磁流量传感器、电导率测量传感器和流速传感器的输出信号，获得油水各相流量及含水率。

3、进一步地，所述环状流转换装置被配置为基于流体物性差异，对流体施加一定外力，并使得产生作用于油相和水相的力大小或方向不同，进而使得油相集中到管道中心，水相汇聚到环域处，从而将进口油水两相流转换为相分布和速度分布轴对称的油水环状流；所述环状流转换装置对流体施加的外力为离心力、电磁力和静电力中的一种或多种。

4、进一步地，所述电导率测量传感器的输出信号与油水环状流电导率分布信息或相分布信息有关，所述电导率测量传感器为电阻抗传感器、红外光谱传感器、磁声耦合传感器、与磁共振结合的电阻抗传感器中的一种。

5、进一步地，所述流速传感器采用连续超声多普勒技术，其输出信号与油水环状流平均流速信息有关；或者采用脉冲超声多普勒技术，其输出信号与油水环状流流速分布信息有关；

6、所述电磁流量传感器基于法拉第电磁感应定律，输出与油水流速有关的信号。

7、本发明还提供了一种如上所述的基于环状流转换和多传感器结合的油水两相流测量装置的测量方法，包括以下步骤：

8、步骤1、油水两相流在测量管道中流经环状流转换装置，使得油水两相流从不同进口流型转变为油水环状流，油相集中到管道中心形成油芯，水相集中到管道环域形成水环；

9、步骤2、油水环状流流经电磁流量传感器、电导率测量传感器和流速传感器，由电磁流量传感器和流速传感器获得与油水流速信息相关信号，由电导率测量传感器获得油水环状流电导率分布或相分布信息相关信号；

10、步骤3、信号接收处理装置接收和处理所述电磁流量传感器、电导率测量传感器和流速传感器的输出信号，获得油水各相流量和含水率参数。

11、进一步地，所述步骤3具体包括：利用电导率测量传感器的输出信号获得油芯直径d，油芯和水环的电导率σ1和σ2，并判断油水环状流中油芯是否含水，以及水环是否含油。

12、进一步地，当油芯不含水且水环不含油时，利用电磁流量传感器的信号获得水相流量：

13、

14、式中qw为水相流量，d为测量管道直径，b为磁感应强度，u为感应电动势；

15、利用流速传感器的信号获得油水平均流速或油水速度分布v(r)，进而获得油相流量和含水率：

16、

17、

18、式中qo为油相流量，β为含水率。

19、进一步地，当油芯含水且水环含油大于等于0时，水环电导率大于油芯电导率，即σ2/σ1>1；

20、电磁流量传感器的信号与油芯和水环的流量关系利用环域权重函数模型表示为：

21、

22、式中q1为油芯流量，q2为水环流量，为油芯域平均权重函数，为水环域平均权重函数；

23、油芯含水率β1和水环含水率β2由油芯和水环的电导率σ1和σ2计算获得；

24、利用流速传感器的信号获得油水平均流速或油水速度分布v(r)，进而获得油芯与水环流量和：

25、

26、或油芯与水环各自的流量：

27、

28、

29、油水两相的流量与油芯流量、水环流量和油芯含水率的关系为：

30、(8)

31、qo＝q1×(1-β1)+q2×(1-β2)

32、(9)

33、qw＝q1×β1+q2×β2

34、联立式(3)、(6)～(9)或(3)～(5)、(8)、(9)得出油水各相流量和含水率。

35、进一步地，其中油芯含水率β1和水环含水率β2由下式计算：

36、

37、式中σw为水中不含油时的电导率；

38、或者，油芯含水率β1和水环含水率β2由下式计算：

39、

40、并且其中，和由数值模拟方法获得。

41、进一步地，和由下式确定：

42、

43、

44、或者，和由下式确定：

45、

46、

47、与现有技术相比，本发明主要具有以下优点：

48、(1)利用环状流转换装置与“环域权重函数模型”，并结合电导率测量传感器及其他流速测量传感器，突破由于油水两相流时空分布不均匀、流型多样、相间滑移等特性造成的油水两相流准确在线测量技术瓶颈。

49、(2)利用“环域权重函数模型”，即利用油芯域与水环域的平均权重函数计算油芯与水环各自平均流速对感应电动势的贡献，该油水两相流测量方法不受油芯与水环滑移的影响。

50、(3)利用环状流转换装置将随机分布的非导电相油滴集中到中心，由于中心位置对权函数分布的影响规律易于确定，从而避免了权函数分布的随机性和不确定性对电磁流量计的复杂影响，提高了电磁流量计测量精度。

51、(4)利用环状流转换装置可将分散的油滴集中在管道中心，使得即使在油滴极其细小的高含水率情况下，依然可以实现传感器对油相的分辨。

52、以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。